一种稀土钇掺杂的二硫化钼自润滑复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种稀土钇掺杂的二硫化钼自润滑复合涂层及其制备方法。具体地，本发明专利技术的二硫化钼自润滑复合涂层中掺杂稀土元素钇，其中，所述的复合涂层中的钇元素摩尔含量为0.1％～5％，按所述复合涂层的总摩尔量计。本发明专利技术采用升华硫(S)、六水合氯化钇(YCl3·6H2O)和三氧化钼(MoO3)粉为原料，利用化学气相沉积工艺制备稀土钇掺杂的二硫化钼自润滑复合涂层。本发明专利技术的二硫化钼自润滑涂层具有良好的耐磨性和自润滑性，以及优异的绕镀性，可以在形状的大尺寸复杂工件上实施涂层沉积。

Rare earth yttrium doped molybdenum disulfide self lubricating composite coating and preparation method thereof

The invention provides a rare earth yttrium doped molybdenum disulfide self lubricating composite coating and a preparation method thereof. Specifically, the molybdenum disulfide self lubricating composite coating is doped with rare earth element yttrium, in which the mole content of yttrium elements in the composite coating is 0.1% to 5%, according to the total molar amount of the composite coating. The invention uses S, six hydrated yttrium chloride (YCl3 6H2O) and molybdenum trioxide (MoO3) powder as raw materials to prepare yttrium doped molybdenum disulfide self lubricating composite coating by chemical vapor deposition. The molybdenum disulfide self lubricating coating has good wear resistance and self lubrication, as well as excellent coating property, and coating deposition can be carried out on large size and complex workpiece in shape.

【技术实现步骤摘要】
一种稀土钇掺杂的二硫化钼自润滑复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及固体润滑材料领域，具体地，涉及一种稀土钇掺杂的二硫化钼自润滑涂层及其制备方法。所述的二硫化钼自润滑涂层可用于减小微机械电子系统以及航天航空工业中的摩擦磨损，提高其性能和寿命。
技术介绍
二硫化钼(MoS2)作为一种优良的固体润滑材料，在超固体润滑领域具有很高的应用价值，特别是在减小微机械电子系统以及航天航空工业中的摩擦磨损，提高其性能和寿命方面，基于MoS2的超固体润滑技术具有很强的应用空间。由于具有类似石墨的叠层状结构，MoS2作为自润滑固体润滑剂在高温和真空环境下被广泛应用。相应地，MoS2自润滑涂层也受到越来越多的重视。虽然MoS2自润滑涂层可通过很多方法制备，如物理气相沉积(PVD)、硫化电镀的Mo、加热包含液态Mo和S先驱体的化学溶液、化学气相沉积(CVD)，以及金属-有机物CVD(MOCVD)。但在这些制备工艺中，使用最多的还是PVD。在PVD的MoS2涂层中，目前研究较多的是过渡金属掺杂的MoS2涂层，如Ti、Ni、Au等掺杂的MoS2涂层，但是稀土元素，尤其是性能优异的稀土元素钇掺杂的MoS2涂层至今仍未见相关的研究报道。同时，与PVD相比，CVD有一些特有的优点，例如，CVD的绕镀性可使涂层组织均匀，能在具有内孔的大尺寸复杂工件上随型生长；其次，可通过CVD联合沉积工艺使MoS2均匀扩散并弥散分布到硬的CVD碳化物和氮化物薄膜中，这种类型的自润滑复合涂层在高温下具有优异的耐磨特性。另外，在制备陶瓷复合薄膜方面，CVD已被广泛使用。然而，MoS2自润滑涂层却很少使用CVD工艺制备。在这少量的CVD-MoS2自润滑涂层研究中，部分研究者利用Mo的卤化物如MoF6、MoCl5等和H2S作为先驱体，导致设备容易受到腐蚀；另外个别研究者利用碳酸钼(Mo(CO)6)、含Mo有机物(Mo(S-t-Bu)4)等和H2S作为先驱体，涂层质量很差。因此，本领域需要开发新的对设备腐蚀性弱，且涂层质量高的钇掺杂的高性能CVD-MoS2自润滑复合涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过稀土钇掺杂，获得组织均匀致密，摩擦磨损性能优异的二硫化钼自润滑复合涂层。本专利技术的第一方面提供了一种二硫化钼自润滑复合涂层，所述的复合涂层掺杂稀土元素钇，其中，所述的复合涂层中的钇元素摩尔含量为0.1％～5％，按所述复合涂层的总摩尔量计。在另一优选例中，所述的复合涂层的厚度为1～3μm。在另一优选例中，所述的复合涂层的摩擦系数为0.05～0.30。在另一优选例中，用于制备所述的复合涂层的组分包括：组分(a)：硫粉、含硫气源、或其组合；组分(b)：钼氧化物、钼盐、含钼金属有机物、或其组合；和组分(c)：钇盐、钇氧化物、或其组合。在另一优选例中，所述的组分(a)为硫粉。在另一优选例中，所述的硫粉纯度为99.95％～99.99％。在另一优选例中，所述的钼氧化物为MoO3。在另一优选例中，所述的三氧化钼(MoO3)平均粒径≤10μm。在另一优选例中，所述的MoO3纯度为99.5％～99.99％。在另一优选例中，所述的钼盐选自下组：MoF6、MoCl5、Mo(CO)6、或其组合。在另一优选例中，所述的含钼金属有机物为Mo(S-t-Bu)4。在另一优选例中，所述的组分(c)为六水合氯化钇(YCl3·6H2O)。在另一优选例中，所述的YCl3·6H2O纯度为99.95％～99.99％。在另一优选例中，所述的复合涂层是利用包括如下步骤的化学气相沉积法制备的：(i)提供组分(a)作为硫源、组分(b)作为钼源、组分(c)作为钇源，以及承载基体；(ii)在还原性气体和惰性气体气氛下，加热所述组分(a)、(b)和(c)，所述组分(a)、(b)和(c)在所述的承载基体上发生化学沉积反应，从而在所述的承载基体上形成如本专利技术第一方面所述的复合涂层。本专利技术的第二方面提供了一种如本专利技术第一方面所述的复合涂层的制备方法，该方法包括步骤如下：(i)提供组分(a)作为硫源、组分(b)作为钼源、组分(c)作为钇源，以及承载基体；(ii)在还原性气体和惰性气体气氛下，加热所述组分(a)、(b)和(c)，所述组分(a)、(b)和(c)在所述的承载基体上发生化学沉积反应，从而在所述的承载基体上形成如本专利技术第一方面所述的复合涂层。在另一优选例中，所述步骤(ii)中还包括如下步骤：(ii-1)所述组分(b)中的钼(VI)在还原性气体的作用下，还原为钼(IV)；(ii-2)所述钼(IV)沉积到所述的承载基体上，并与气相硫源发生反应，从而在所述的承载基体上形成MoS2；并且所述的组分(c)发生热分解反应，生成单质钇，钇均匀掺杂到所述的MoS2中；(ii-3)进行降温，从而形成如本专利技术第一方面所述的复合涂层。在另一优选例中，所述的组分(b)和(c)放置在陶瓷舟的一端，所述的承载基体放置在陶瓷舟的另一端，并且将所述的陶瓷舟置于管式炉高温区(第一加热区)；而所述的组分(a)放在另一陶瓷舟里，并且将所述的另一陶瓷舟置于管式炉的加热带缠绕的低温区(第二加热区)。在另一优选例中，在步骤(i)和(ii)之间，还包括：将管式炉密闭抽真空，再通入保护气体。在另一优选例中，步骤(ii)中温度达到200℃后，总压强始终保持为200-400Pa，较佳地340-360Pa，最佳地350Pa。在另一优选例中，步骤(ii)中温度达到200℃后，始终通入还原性气体和保护性气体。在另一优选例中，所述的还原性气体包括氢气(H2)、硫化氢(H2S)、或其组合；较佳地，为氢气(H2)。在另一优选例中，所述的保护性气体包括氮气(N2)、氩气(Ar)，或其组合；较佳地，为氩气(Ar)。在另一优选例中，H2与Ar的体积比为1﹕5～1﹕50。在另一优选例中，H2与Ar的体积比为1﹕10。在另一优选例中，步骤(ii-2)中的反应温度为200～1200℃；和/或反应时间为0.5-5小时。在另一优选例中，所述的承载基体选自下组：玻璃、陶瓷、不锈钢、硅片、硬质合金、或其组合。在另一优选例中，所述的基体为带有氮化钛涂层的304不锈钢。本专利技术的第三方面提供了一种工件，所述的工件上沉积有如本专利技术第一方面所述的复合涂层。在另一优选例中，所述的工件包括大尺寸复杂形状工件。在另一优选例中，所述的工件包括活塞、螺栓、轴承、刀具。本专利技术的第四方面提供了一种本专利技术第一方面所述的复合涂层的用途，所述的复合涂层用于包括微机械电子设备、工业设备、机动车辆、以及航空航天设备的耐磨防腐。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1为MoS2复合涂层的XRD衍射图谱；图2为MoS2复合涂层表面形貌的SEM图；图3为MoS2复合涂层表面微观形貌的SPM图；图4为MoS2复合涂层表面的拉曼光谱图；图5为MoS2涂层的摩擦磨损曲线；a：纯MoS2涂层的摩擦磨损曲线，图中插图是曲线a的放大图；b：Y/MoS2复合涂层的摩擦磨损曲线。图6为MoS2复合涂层磨痕的微观形貌图；其中，(a)磨痕的2D形貌图，(b)磨痕的3D形貌图。具体实施方式本专利技术人经过广泛而深入地研究，首次意外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二硫化钼自润滑复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层掺杂稀土元素钇，其中，所述的复合涂层中的钇元素摩尔含量为0.1％～5％，按所述复合涂层的总摩尔量计。

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼自润滑复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层掺杂稀土元素钇，其中，所述的复合涂层中的钇元素摩尔含量为0.1％～5％，按所述复合涂层的总摩尔量计。2.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层的厚度为1～3μm。3.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层的摩擦系数为0.05～0.30。4.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，用于制备所述的复合涂层的组分包括：组分(a)：硫粉、含硫气源、或其组合；组分(b)：钼氧化物、钼盐、含钼金属有机物、或其组合；和组分(c)：钇盐、钇氧化物、或其组合。5.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层是利用包括如下步骤的化学气相沉积法制备的：(i)提供组分(a)作为硫源、组分(b)作为钼源、组分(c)作为钇源，以及承载基体；(ii)在还原性气体和惰性气体气氛下，加热所述组分(a)、(b)和(c)，所述组分(a)、(b)和(c)在所述的承载基体上发生化学沉积反应，从而在所述的承载基体上形成如权利要求1所述的复合涂层。6.一种如权利要求1所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：(i)提供组分(a)作...

【专利技术属性】
技术研发人员：易剑，李明磊，王少龙，褚伍波，马洪兵，江南，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33